本发明建筑材料
技术领域：
，特别涉及一种高强度纤维增强水泥基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：混凝土是一种准脆性材料，自重大、抗拉强度低、易开裂且脆性大，当材料受拉应力过大时，应变逐渐软化，构件或结构中通常只能形成数量少且间距大的裂缝，变形在开裂处产生集中，裂缝宽度可达1.0mm以上，在路面板、桥面板等构件中尤为明显，特别是在荷载和环境因素复合作用情况下。为改善混凝土的脆性，victorli教授采用细观力学对混凝土材料进行设计，研发了一种纤维增强水泥基复合材料，即ecc(engineeredcementitiouscomposites)。ecc材料通过添加100m左右粒径的细砂，取代混凝土中的粗骨料，再掺入细短的聚乙烯醇纤维(polyvinylalcoholfiber，pva)，材料受拉时极限拉应变能够达到3万到5万个微应变，应变硬化特征非常明显。由于纤维的桥接作用，ecc受拉开裂后拉应力随着应变增大逐渐提高，同时形成多条宽度小于100m的微细裂纹，极限拉应变可增大到混凝土的百倍以上。ecc优异的抗拉力学性能和裂纹宽度控制能力使其在土木工程领域越来越受到关注，开始用于坝面和桥面修复以及抗震消能构件等方面。然而，随着ecc不断推广应用，材料收缩大，耐高温性能差的缺点逐渐凸显，甚至在结构承受荷载作用前就产生开裂。尽管开裂后裂纹宽度得到了控制，桥面体系的开裂风险增加，且与其它材料的协同工作性明显变差。技术实现要素：基于上述问题，本发明提供了一种高强度纤维增强水泥基复合材料及其制备方法和应用。本发明所述材料具有凝结速度快、低收缩、高强度、高延性、耐高温的性能特点，同时与钢材的协同工作性良好。上述目的是通过以下技术方案实现的：根据本发明的一个方面，本发明提供的一种高强度纤维增强水泥基复合材料，该材料由干料和水混合而成，其中，所述干料包括水泥、粉煤灰、硅粉、矿渣、减水剂、细砂和纤维，所述干料所占的总质量百分比为85％～92％，所述水占总质量百分比为8％～15％。所述干料，按照质量百分比计，包括：其中，所述水泥为42.5级硫铝酸盐水泥。所述水泥初凝时间为20～40min。所述纤维为有机纤维和金属纤维。优选地，所述纤维为聚乙烯醇纤维和钢纤维。所述聚乙烯醇纤维购买于kuraray公司，所述钢纤维为鞍山钢铁厂生产。所述聚乙烯醇纤维的体积掺量为1.5％～2.5％，所述钢纤维的体积掺量为0.5％～1.0％。所述聚乙烯醇纤维长度为10～14mm，直径为37～41μm，抗拉强度1500～1650mpa，弹性模量40～44gpa。优选地，所述聚乙烯醇纤维抗拉强度1620mpa，弹性模量42.8gpa。所述聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径为39μm所述钢纤维长度为11～15mm，直径为0.1～0.3mm，抗拉强度2500～2800mpa，弹性模量195～225gpa。优选地，所述钢纤维抗拉强度2750mpa，弹性模量210gpa。所述钢纤维长度为13mm，直径为0.2mm。所述细砂为100～200目石英砂。所述高强度纤维增强水泥基复合材料，28天100mm的立方体的抗压强度大于80mpa。根据本发明的另一个方面，本发明提供的上述高强度纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括：按照配比称量所述干料和水；然后将所述干料和水在混凝土搅拌机中搅拌混合，得到高强度纤维增强水泥基复合材料产品。根据本发明的再一个方面，本发明提供的上述高强度纤维增强水泥基复合材料在钢桥面铺装中的应用。其中，凝结时间小于30min，28天的收缩值降至120微应变，28天100mm的立方体的抗压强度大于80mpa。与现有技术相比，本发明的优点是：本发明高强度纤维增强水泥基复合材料具有凝结速度快、低收缩、高强度、高延性、耐高温的性能特点，同时与钢材的协同工作性良好。具体为：1.凝结速度快、低收缩、与钢材协同工作性良好为降低复合材料的收缩，减少组合钢桥面的开裂风险，同时缩短工期，提高施工效率，采用硫铝酸盐水泥。其作用机理为：硫铝酸盐水泥的主要成分为无水硫铝酸钙和β型硅酸二钙，前者能很快参与水化，反应生成具有微膨胀效能的钙钒石，使高韧性材料的基材(砂浆)适度膨胀，补偿水泥基材料的收缩变形。生成的钙矾石会迅速结晶形成水泥石的骨架，缩短水泥的凝结时间，随着硅酸二钙水化的继续进行，水泥石的孔隙不断地被水化产物填充，早期强度提高。试验表明，经过补偿处理后的硫铝酸盐水泥基复合材料与传统纤维增强水泥基复合材料相比，凝结时间由2～4小时缩短到30分钟以内，28d的干燥收缩值由1500微应变降低至120微应变，降低了92％。该收缩值显著降低，意味着在与钢桥面共同作用时能够协调变形，开裂时能够承受的外部荷载大大增加，极大的降低了复合材料-钢桥面结构的开裂风险。2.高强度、高韧性为实现材料的高强度和高韧性，须经由细观力学对纤维、基材和纤维-基材界面特性进行合理的设计。本发明选用的聚乙烯醇纤维弹性模量(表1)与水泥基材相当，强度高且与基材的粘结性能良好。通过降低水胶比，同时掺入硅灰、粉煤灰和矿渣，并对配比进行优化，可实现水泥基材料与纤维的匹配，提高强度的同时保留一定的延展性。按上述方法设计出的复合材料除了具有凝结速度快、低干缩外，还可实现高强度和高韧性的相互匹配。表1本发明选用纤维的物理力学性能该材料28d的抗压强度可达80mpa以上，突破了技术难点，现有技术中材料强度一般不超过70mpa，宏观极限拉伸应变可达1％～3％，其机理在于材料受拉过程中形成多条微裂纹(单条裂纹宽度小于100μm)。在抗拉应力-应变关系中表现出的特点为随拉应变的增大，抗拉应力不降低，材料实现应变硬化，极限拉应变可增大到混凝土的百倍以上。由于裂纹间纤维的桥接作用，材料整体的传力性能并没有因细微裂纹的形成而被削弱。3.耐高温性能作为一种钢桥面铺装材料，本发明涉及的纤维增强水泥基复合材料除了具有凝结速度快、低收缩、与钢材协同工作性良好、高强度、高韧性的特性以外，还应具有良好的耐高温性能。传统的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在300～400℃温度作用下由于聚乙烯醇纤维的熔化而丧失大部分的承载能力，本发明由于额外选用钢纤维(物理力学性能见表1)作为复合材料的增强组分，在400℃以上高温作用下，即使聚乙烯醇纤维退出工作，钢纤维依然能够发挥其稳定的桥接作用，因此，材料耐高温性能良好，对于钢桥面铺装，尤其是涉及高温蒸压养护的条件，有良好的复合材料适应性。另外，本申请高强度纤维增强水泥基复合材料无需添加硼酸等缓凝剂，且若添加了硼酸缓凝剂材料反而出现凝结延缓、强度发展慢等缺陷。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。通过以下代表性实施例可以更好地理解本发明，尽管给出了这些实施例，但还应包括：在不偏离本发明范围条件下，对公开的方法进行本领域技术人员显而易见的各种改变。实施例1一种高强度纤维增强水泥基复合材料，它由水泥、粉煤灰、硅粉、矿渣、减水剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、粉煤灰、硅粉、矿渣、减水剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为90.4％，水占总质量百分比为9.6％。水泥为强度等级42.5级的快硬硫铝酸盐水泥；粉煤灰为一级低钙粉煤灰；硅粉的甘肃三远硅材料有限公司生产的微硅粉；矿渣为s95级粒化高炉矿渣；减水剂为聚羧酸高效减水剂；细砂为100～200目石英砂；聚乙烯醇纤维为日本kuraray公司生产，长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度2750mpa，弹性模量210gpa；钢纤维为鞍山钢铁厂生产，长度为13mm，直径为0.2mm，抗拉强度2750mpa，弹性模量210gpa。上述各组分的质量百分比如下：快硬硫铝酸盐水泥34.3％；粉煤灰4.9％；硅粉4.9％；矿渣4.9％；聚羧酸高效减水剂0.6％；100～200目石英砂40.6％；聚乙烯醇纤维0.1％(体积掺量2.0％)；钢纤维0.3％(体积掺量1.0％)。纤维体积掺量指的是单位体积水泥基材料中纤维占的体积(其与纤维密度相乘即得纤维的质量占比)。上述一种高强度纤维增强水泥基复合材料的制备：将水泥、粉煤灰、硅粉、矿渣、减水剂、细砂、纤维和水在混凝土搅拌机中混合搅拌，得产品。本实施例获得产品的各项性能的试验结果列于表2。其中，力学试验所用试块在24小时脱模后，进行水养护(温度为20±2℃)，28天后在力学试验机上进行抗拉、抗压试验，其中，抗拉试块尺寸为20mm*100mm*200mm，抗压试块尺寸为100mm*100mm*100mm；收缩试验采用自主研发的温湿度一体化收缩仪进行，尺寸为60mm*100mm*400mm，实时监测并记录各龄期下的收缩值。表2实施例1高强度纤维增强水泥基复合材料测试结果表(28天)抗拉强度/mpa5.60极限拉应变/％1.23抗压强度/mpa85.2弹性模量/gpa29.8收缩值/με236实施例2一种高强度纤维增强水泥基复合材料，它由水泥、粉煤灰、硅粉、矿渣、减水剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、粉煤灰、硅粉、矿渣、减水剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为93.0％，水占质量百分比为7.0％。水泥为强度等级42.5级的快硬硫铝酸盐水泥；粉煤灰为一级低钙粉煤灰；硅粉的甘肃三远硅材料有限公司生产的微硅粉；矿渣为s95级粒化高炉矿渣；减水剂为聚羧酸高效减水剂；细砂为100～200目石英砂；聚乙烯醇纤维为日本kuraray公司生产，长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度2750mpa，弹性模量210gpa；钢纤维为鞍山钢铁厂生产，长度为13mm，直径为0.2mm，抗拉强度2750mpa，弹性模量210gpa。上述各组分的质量百分比如下：快硬硫铝酸盐水泥39.0％；粉煤灰5.3％；硅粉5.3％；矿渣5.3％；聚羧酸高效减水剂1.2％；100～200目石英砂36.5％；聚乙烯醇纤维0.1％(体积掺量2.0％)；钢纤维0.3％(体积掺量1.0％)。上述一种高强度纤维增强水泥基复合材料的制备：将水泥、粉煤灰、硅粉、矿渣、减水剂、细砂、纤维和水在混凝土搅拌机中混合搅拌，得产品。本实施例获得产品的各项性能的试验结果列于表3。其中，力学试验所用试块在24小时脱模后，进行水养护(温度为20±2℃)，28天后在力学试验机上进行抗拉、抗压试验，其中，抗拉试块尺寸为20mm*100mm*200mm，抗压试块尺寸为100mm*100mm*100mm；收缩试验采用自主研发的温湿度一体化收缩仪进行，尺寸为60mm*100mm*400mm，实时监测并记录各龄期下的收缩值。表3实施例2高强度纤维增强水泥基复合材料测试结果表(28天)抗拉强度/mpa7.32极限拉应变/％1.01抗压强度/mpa87.1弹性模量/gpa30.2收缩值/με258综上，本申请实施例选用快硬硫铝酸盐水泥，弹性模量与水泥基相当的聚乙烯醇纤维，和钢纤维，并经过优化配比，使得纤维增强水泥基复合材料耐高温，凝结速度缩短至30min以内，收缩值降至200左右，抗压强度分别达到了85.2mpa和87.1mpa，极限拉伸应变分别达到1.01％和1.23％。材料微应变降低率一般在87％～92％之间，该材料与钢材协同性好，极大程度地降低了复合材料-钢桥面结构的开裂风险。当前第1页12